Chương 1. TỔNG QUAN VỀ KHÍ ĐỘNG HỌC TRÊN XE Ô TÔ
1.2 Các thành phần lực khí động hình thành trên ô tô khi chuyển động
Hình 1.2. Thành phần lực tác dụng trên ô tô khi chuyển động 1.2.1.1 Lực cản lăn
Khi ô tô chuyển động sẽ có lực cản lăn Pf1 tác dụng lên các bánh xe trước và Pf2 tác dụng lên các bánh xe sau theo hướng song song với mặt đường và ngược với chiều chuyển động của ô tô (hình 1.2). Lực cản lăn tác dụng tại vùng tiếp xúc giữa bánh xe với mặt đường.
Lực cản lăn sinh ra là do có sự biến dạng của lốp, do sự tạo thành vết bánh xe trên mặt đường và do sự tiếp xúc giữa lốp với mặt đường. Như vậy lực cản lăn bao gồm cả ngoại lực và nội ma sát trong lốp.
Để đơn giản trong tính toán, người ta coi lực cản lăn là ngoại lực tác dụng lên bánh xe khi ô tô chuyển động và được xác định theo công thức [5]:
Nghiên cứu, đánh giá các phương án giảm sức cản khí động cho xe ô tô du lịch
Sinh viên thực hiện: Thái Duy Sơn, Nguyễn Văn Minh Hướng Dẫn: TS.Phan Thành Long 3
=
=
2 2 2
1 1 1
Z f P
Z f P
f
f (1-3)
Trong đó:
f1, f2 - Hệ số cản lăn tương ứng ở bánh xe trước và bánh xe sau Lực cản lăn Pf của ô tô sẽ là:
Pf = Pf1 + Pf 2 (1-4)
1.2.1.2 Lực cản lên dốc
Khi ôtô chuyển động lên dốc thì lực thành phần Gsin của trọng lượng ôtô sẽ cản lại sự chuyển động. Lực thành phần này được gọi là lực cản lên dốc, ký hiệu là Pi
và có giá trị như sau [5]:
Pi = G.sin (1-5)
Mức độ dốc của mặt đường được thể hiện qua góc dốc hoặc qua độ dốc i i = T
D = tg (1-6)
Trong đó:
D,T - Các kích thước của đường dốc
Khi góc dốc nhỏ dưới 50 có thể xem i = tg sin và lúc đó lực cản lên dốc có dạng:
Pi = G.sin G.i (1-7)
Trường hợp ôtô chuyển động xuống dốc thì lực Pi sẽ cùng chiều chuyển động của ôtô và lúc đó lực Pi trở thành lực hỗ trợ cho chuyển động của ô tô
1.2.1.3 Lực cản không khí
Khi ô tô chuyển động sẽ có lực cản không khí P tác dụng tai tâm của diện tích cản chính diện của ô tô, tâm này cách mặt đường một độ cao h. Thực nghiệm chứng tỏ rằng lực cản không khí của ô tô có thể xác định bằng biểu thức sau [5]:
P = K.F.Vo2 (1-8)
Trong đó:
K - Hệ số cản không khí, nó phụ thuộc vào hình dạng của ô tô và chất lượng bề mặt vỏ xe, phụ thuộc vào mật độ không khí, Ns2/m2.
F - Diện tích cản chính diện của ô tô, m2.
Vo - Vận tốc tương đối của ô tô và không khí, m/s.
Vận tốc tương đối của ô tô Vo là Vo = V Vg (1-9) Với
V là vận tốc của ô tô.
Nghiên cứu, đánh giá các phương án giảm sức cản khí động cho xe ô tô du lịch
Sinh viên thực hiện: Thái Duy Sơn, Nguyễn Văn Minh Hướng Dẫn: TS.Phan Thành Long 4
Vg là vận tốc của không khí.
Dấu (+) khi vận tốc của ô tô và không khí ngược chiều nhau, dấu (-) khi vận tốc của ô tô và không khí cùng chiều. Tích số KF còn được gọi là nhân tố cản không khí, ký hiệu là W (Ns2/m2).
W = K.F (1-10)
Vậy lực cản không khí có thể được tính theo công thức sau:
P = W.Vo2 (1-11)
Xác định một cách chính xác diện tích cản chính diện F gặp rất nhiều khó khăn, vì vậy trong thực tế người ta sử dụng những công thức gần đúng sau:
- Đối với ô tô du lịch:
F = 0,8 Bo.Ho (1-12)
Trong đó:
B - chiều rộng cơ sở của xe
Bo - chiều rộng lớn nhất của ô tô Ho - chiếu cao lớn nhất của ô tô 1.2.1.4 Lực quán tính của ô tô
Khi ô tô chuyển động không ổn định (lúc tăng tốc hoặc lúc giảm tốc) sẽ xuất hiện lực quán tính. Lực quán tính Pj gồm các thành phần sau:
Lực quán tính Pj là:
Pj = Pj' + Pj'' (1-13)
Lực quán tính Pj' được xác định như sau:
Pj' = j g
G (1-14)
Trong đó:
G- trọng lượng toàn bộ của ô tô
g- gia tốc trọng trường (g = 9,81 m/s2) j - gia tốc tịnh tiến của ô tô
Nếu bỏ qua ảnh hưởng của các chi tiết quay của hệ thống truyền lực (do mô men của chúng nhỏ) thì lực quán tính Pj'' được tính như sau:
Pj'' = j
r I i
I
b b t
t
e
+
2 2
(1-15) Trong đó:
Ie - Mômen quán tính của bánh đà động cơ và các chi tiết chuyển động quay khác của động cơ quy dẫn về trục khuỷu
Ib - Mômen quán tính của bánh xe
Nghiên cứu, đánh giá các phương án giảm sức cản khí động cho xe ô tô du lịch
Sinh viên thực hiện: Thái Duy Sơn, Nguyễn Văn Minh Hướng Dẫn: TS.Phan Thành Long 5
it - Tỷ số truyền của hệ thống truyền lực
t - Hiệu suất của hệ thống truyền lực rb - Bán kính làm việc của bánh xe
Thay các giá trị Pj' và Pj'' vào công thức (1-34) ta được:
Pj = j
r I i
I g G
b b t
t e
+
+
2 2
= j
g G r
I i
I
b b t
t e
+
+
2 2
1
(1-16)
Biểu thị: = g
r I i
I
b b t
t
e
+
+
2 2
1
(1-17)
Lúc đó ta có:
Pj = Pj' = j g
G (1-18)
Trong đó:
- hệ số tính đến ảnh hưởng của các khối lượng vận động quay của ô tô Để đơn giản thì được tính theo công thức 2-26
Ta có: = 1+1ih2 +2 (1-19)
Các hệ số 1 và 2 thường nằm trong giới hạn hẹp là 146% và 2
35%.
Như vậy có thể tính giá trị trung bình của như sau:
= 1,04 + 0,05 ih2 (1-20)
1.2.2 Các thành phần lực khí động hình thành trên ô tô khi chuyển động 1.2.2.1 Thành phần lực cản khí động
Lực cản khí động là lực cản sinh ra khi chuyển động của ôtô và nó phụ thuộc rất lớn vào hình dáng khí động học của ôtô. Lực cản này gồm hai thành phần:
Áp suất cao phía trước và áp suất thấp phía sau, hai thành phần này tạo ra hiện tượng xoáy làm xuất hiện lực ngược chiều chuyển động của vật thể. Để đánh giá chất lượng khí động của ôtô người ta dựa vào hệ số Cd gọi là hệ số lực cản.
Lực cản khí động tính theo công thức:
FD = ẵ..v2.S.CD [N] (1-21)
Trong đó:
FD: Lực cản khí động.
: Mật độ không khí [kg/m3], 1,24 [kg/m3].
v: Vận tốc chuyển động [m2/s2].
S: Diện tích mặt cắt ngang của xe [m2].
Cd: Hệ số lực cản.
Nghiên cứu, đánh giá các phương án giảm sức cản khí động cho xe ô tô du lịch
Sinh viên thực hiện: Thái Duy Sơn, Nguyễn Văn Minh Hướng Dẫn: TS.Phan Thành Long 6
Lực cản của không khí có thể phân tích thành 2 thành phần: Cản do ma sát Fms
và cản do chênh áp Fca, do vậy Cd cũng được chia thành hai thành phần tương ứng:
Cd = Cms +Cca (1-22)
1.2.2.2 Thành phần lực nâng khí động
Lực nâng khí động là không khí bị nén ở phía trước xe dãn nở dần khi di chuyển về phía sau tạo nên áp thấp hay lực nâng xe dọc theo bề mặt của thân xe. Trị số lực nâng sẽ lớn nhất khi dòng không khí di chuyển đến phía sau xe vì tiết diện cản gió của thân xe ở vị trí này giảm nhanh đột ngột.
Ta xem xét một vật thắng được trọng lực và bay lên được là nhờ lực nâng khí động lực học hay còn gọi là lực nâng. Là kết quả của sự chênh lệch áp suất không khí tại mặt trên và mặt dưới của vật thể khi dòng khí chuyển động chảy bao vật thể.
Ta có công thức tính lực nâng là:
FL = ẵ..v2.S.CL [N] (1-23)
Trong đó:
FL: Lực nâng khí động [N].
: Mật độ không khí [kg/m3], 1,24 [kg/m3].
v: Vận tốc chuyển động [m2/s2].
S: Diện tích mặt cắt bằng của xe [m2].
CL: Hệ số lực nâng.